JP4784140B2 - 高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の操業方法に関し、より詳しくは、高微粉炭比、低コークス比操業下における通気性確保を可能とし、劣質鉄源の使用量拡大を可能とする高炉の操業方法に関する。

高炉操業の使命は銑鉄を安定且つ安価に製造することに帰する。銑鉄の安定製造はひとえに円滑な炉内物流の確保にあり、操業上は炉内通気性の適正化が基本課題となる。しかし、その一方で、製造コストの低減がもとめられ、それには還元材比の低減や安価な原燃料の使用量拡大が課題として課せられている。

さて、近年の高炉操業においては、銑鉄製造に必要な還元材の一部として微粉炭を羽口から吹き込んで使用することが一般化している。この目的は、高価な原料炭を使って生産するコークスの一部を微粉炭で代替することによって、コークス比（銑鉄１ｔあたりのコークス使用量）を抑えて銑鉄製造コストを削減すること、およびコークス炉の生産負荷を軽減してコークス炉の延命を図ることにある。

ところが、微粉炭比（銑鉄１ｔあたりの微粉炭使用量）を増すに従って装入Ｏ／Ｃ（鉄源のコークスに対する質量比）が増加するため、高炉内充填層の通気性が不可避的に悪化する。従って、高微粉炭比操業、換言すれば、低コークス比操業を遂行するには、操業安定性を損なう通気性の悪化を如何に抑制するかが操業上の重要なポイントになり、従来よりこの課題を解決するための方法が種々提案されている。

高炉内通気性を支配する最重要部位は融着帯である。高炉では一般的にコークスと鉄源は交互に炉頂から装入、充填され、炉内充填層は層状のまま昇温されながら順次高炉下部に至り、鉄源である鉱石や焼結鉱は溶融軟化して粒子同士が融着して鉱石融着層（または、単に融着層とも呼ぶ）となり、コークス層とともに融着帯を形成する。この鉄源の融着現象、つまり高炉内通気性にはそれ自身の性状（成分、被還元性、脈石融点、融液粘度など）もさることながら、炉内充填層の荷重も大きな影響を及ぼしている。たとえば、非特許文献１にあるように鉱石層の高温性状、すなわち、軟化・融着・溶け落ち過程での通気抵抗は、この鉱石層に作用する荷重を小さくすることで低下するのである。

高炉内通気性を改善する手段として、酸素富化率上昇によりボッシュガス量を低減するなどの送風条件の変更、或いはコークスや鉄源などの原料品質を変更するような手段は、銑鉄コストに影響を及ぼす手段であるので、恒久的な手段としては除外して考慮される。

したがって、高炉内通気性を改善する手段は装入物分布制御を通しての炉内状態操作となるが、その視点は次の２つに大別される。すなわち、（１）炉中心部ガス流を強化、換言すると融着帯形状の逆Ｖ化、および（２）融着した鉱石（鉱石融着層）の（見掛）高温性状の改善である。

前者の代表的手段としては、特許文献１に代表されるコークス中心装入があり、後者に関しては特許文献２に開示されている小中塊コークスの鉱石層への混合が一般的である。しかし、いずれもコークス使用量低減は実現されないから、低コークス比操業を進める上で、上記手法には限界がある。

後者のようにコークスと鉄源を同時に装入する形態は、一般に「混合装入」と呼ばれているが、まず「混合装入法」に属する従来発明を大別すると、完全混合方法と部分混合方法とに大別され、その部分混合方法がさらに３つに分けられる。

まず、装入すべきコークスと鉄源の全量を予め混合して炉内に装入する「完全混合装入」と呼ばれる形態では、巨視的な鉱石融着層を炉内に造らないことを意図しているが、これはコークスと鉄源とを交互に装入する「層状装入」とは明確に区別される。

これに対し、装入物を部分的に混合して装入する方法は３つに分類できる。
第一は、コークスの一部を鉄源とともに炉内に装入する形態であり、該コークスとしては予め分級した小粒度のもの（上記（２）のような小中塊コークス混合）或いは特許文献３に示される反応性の高いものが選ばれる。

第二は、特許文献４に開示されている鉱石の一部をコークスとともに装入する形態である。その目的は小粒鉱石の多量使用にあるが、明細書にもある通り、狙っているのは小粒鉱石の炉中心部への流入阻止および周辺部偏在防止にある。

第三は、特許文献５に開示されているように、装入すべきコークスと鉄源のそれぞれ一部を混合状態にして炉内装入する形態が提案されている。その場合、炉壁部での鉱石／コークス層厚比のレベルに応じて混合条件を調整する。
特公昭６４−９３７３号公報 特許１７０３４７８号 特開昭６２−１２７４１３号公報 特開平０２−２５０９１０号公報 特開平０２−５４７０６号公報 松倉良徳ほか４名、「原料性状の高炉通気性への影響評価」、鉄と鋼、Ｖｏｌ．８７（２００１）ｐ．３５０−３５６

しかしながら、従来の高炉内通気性改善方法は、次のような問題点があり、更なる改善が求められている。

すなわち、特許文献１においては、低コークス比の操業条件下で中心へ装入するコークス量を増せば、炉中間部から炉壁部にかけてのコークス量が減少するので、この領域でのコークス層厚、換言すれば融着帯におけるコークススリット厚みを安定に確保することが困難になる。加えて、この方法は炉中心部ガス流を過剰にすることとなり、ガス利用効率が悪化して、ひいては還元材比を低く維持できなくなる。

特許文献２においては、小中塊コークスの発生量がコークス生産量と大塊コークス量とのバランスで決まってしまうので、鉱石装入量の増加に応じて混合比率を確保することは困難であり、加えて、この装入法が小中塊コークスのガス化反応による優先消費に狙いがあることを考慮すれば、鉱石層への混合量を過剰に増せば、反応（消費）し得なかった小塊コークスが炉下部に流入することになって、却って通気性を悪化させることになる。

特許文献４の発明では、混合鉱石の粒度は２〜５ｍｍと非常に小さく、後に述べる充填構造の考察によれば、そのような小粒鉱石はコークス粒子間の空隙を容易にすり抜けてしまい、炉内装入時に混合した充填状態を造り得ないため、鉄源とコークス混合状態での充填層は形成しない。

特許文献５の発明では、本発明が対象としているコークス比３００ｋｇ／ｔ以下（該層厚比にして１．７以上）までの指針は示されておらず、ここまでの低コークス比操業が想定されていないのである。

このように、低コークス比操業下において通気性を確保し安定操業を継続することは容易ではなく、従来法では不充分である。
ここに、本発明の課題は、高微粉炭比、低コークス比操業下において通気性を確保でき、さらには通気性悪化を抑制して劣質鉄源の使用量拡大を実現できる高炉の操業方法を提供することである。

高炉内で最も通気抵抗の大きな部位は鉱石融着層であり、その通気抵抗は荷重を小さくすることで低下することは既に述べたが、巨視的に見れば、実際の高炉において鉱石融着層より上部の装入物の荷重を変更して充填層内応力場を操作することは不可能と言わざるを得ない。

しかし、充填粒子レベルでの微視的な状況に着目すれば、充填層内応力場は充填粒子の自重が粒子間接触によって積算・伝播することで形成されているのであるから、粒子間空隙には応力は作用していない。従って、コークス粒子層の空隙に収まった鉱石粒子を考えた場合、この粒子は充填層内応力場を感じないため、その融着性状は通常の鉱石層内粒子よりも良好なはずである。

本発明は、このような点に着眼するものである。すなわち、塊コークス層内に上限比率を設けて鉄源原料粒子を内包させる。上限比率は該鉄源粒子が軟化した際、相互に融着しない距離を確保するに充分な値とする。このようにすれば、コークス層は塊コークス単味に比べ通気性は劣るが、融着した鉱石層に比べれば通気性は良好であり、コークススリット、つまり高炉内ガス分配の機能は確保される。加えて、該鉄源粒子は塊コークス粒子に囲まれているため、充填層荷重を直接受けず見掛の高温性状は大幅に向上する。

従って、高温性状の良くない鉄源をこの部分に配置すればそれによる悪影響を最小限に押さえられる。また、焼結鉱など通常の鉄源原料の一部をこの部分に配置すれば、見掛けの鉱石層厚を増やさず、且つ、コークススリット厚も薄くすることなく、コークス比を下げることができる。

ここに、本発明は、コークスと鉄源とを交互に炉頂から装入する高炉の操業方法において、高炉に投入する前記コークスの少なくとも一部として、粒度３０ｍｍ以上のコークスに前記鉄源の一部で且つ粒度１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の鉄源を混入比率１０質量％以下で混入したものを使用することを特徴とする高炉の操業方法である。

別の面からは本発明は、コークスと鉄源とを交互に炉頂から装入する高炉の操業方法において、高炉に投入する前記コークスとして、いずれも粒度３０ｍｍ以上のコークスに前記鉄源の一部で且つ粒度１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の鉄源を混入比率１０質量％以下で混入したものを使用することを特徴とする高炉の操業方法である。

いずれの高炉操業も羽口から微粉炭吹き込みを行うときにその目的とする効果が十分に発揮される。

本発明によれば、通気性が大幅に改善されることから、例えば、微粉炭比２００ｋｇ／ｔ以上とすることによって、低コークス比操業が可能となり、また劣質鉄源の使用量を拡大することもできるなど、今日求められている経済的かつ効率的な高炉操業が実現可能となる。

次に、本発明の実施の形態を具体的に説明することで本発明をさらに詳述する。
まず、実際の高炉において本発明を実施するためのコークスおよび鉄源の高炉への装入方法であるが、炉内に鉱石とコークスの混合層を造る方法は種々ある。

小中塊コークスの鉱石混合装入の場合では、仕分けた小中塊コークスを鉱石類の銘柄別貯槽のひとつに入れ、鉱石と同時に貯槽から切り出して、装入ベルトコンベア上に混合物を積載する方法があるが、本発明の如く、コークス主体の装入物に鉱石を混入させる場合は、例えば、先の特許文献４にも開示されているように、逆にコークス類の銘柄別貯槽のひとつに混合すべき鉱石を入れて、同時に貯槽から切り出して、装入ベルトコンベアに載せる方法が考えられる。或いは、設備レイアウト等の制約でこの方法が不可能である場合には、まずコークスを炉頂バンカー（ベル高炉であれば、小ベル或いは大ベル）に入れ、その後、混合すべき鉱石を切り出して、前記バンカー内コークス堆積層上に載せて炉内装入を行う方法もある。いずれにしても、例示した方法に限定されることなく、個々の高炉設備条件に応じて適切な方法を選択すれば良く、本発明においては特定の方法に制限されない。

一方、本発明は、コークスと鉄源とを交互に炉頂から装入する通常の高炉操業を前提にするが、これはすでに公知であって、本発明においてもそれをそのまま利用すればよい。
コークス層の少なくとも１部には上述のようにして鉄源を配合するが、混合比率に応じてすべてのコークス層に鉄源を配合してもよい。

次に、上述の効果を得るための条件について述べる。
造るべき充填構造は、コークス粒子充填層の空隙に鉱石粒子が収納された状態である。そこで、コークス充填層の充填状態を球形粒子の単純立方充填状態で近似して考えると、コークス粒子間空隙に収まる鉱石の最大粒子径は、概ねコークス粒径の７０％程度となる。このことは、実際の高炉で通常使用されているコークスと鉱石の粒径比から見て、鉱石粒子をコークス充填層空隙内に収めることが可能であることを示している。

一方、鉱石粒子がコークス粒子間空隙をすり抜けず空隙内に保持されるための条件を前記の近似に基づき評価すれば、概ねコークス粒径の４０％程度以上の粒径が必要となる。実際の鉱石粒子は球形とは異なる歪な形状をしているため、篩い目粒度を前提にすればコークス粒径の３０％以上の鉱石粒子はコークス粒子間空隙に止まると期待できる。

すなわち、通常「塊コークス」として高炉に装入されるコークスの粒度が、３０ｍｍ以上であることを勘案すれば、該コークスに混合することのできる鉱石の下限粒度は概ね１０ｍｍとなる。

次に鉱石のコークス層への混入比率であるが、実際のコークス層の空隙率は０．５程度であるので、この空隙に対して２０％以上の鉄源を充填すると、操業上で問題となるような通気性悪化が生じると判断した。鉄源とコークスの質量比を３、鉄源比を１６００ｋｇ／ｔ（ｔは、銑鉄１ｔあたりを表す、以下同じ）、コークス比を３００ｋｇ／ｔとすると、コークス層空隙率が０．５に対して２０％を鉄源が充填する場合、コークス層へ充填される鉄源量は、３００×０．２×３＝１８０ｋｇ／ｔとなる。これは、全体の鉄源に対して約１１％に相当する。したがって、本発明における鉄源の混入比率は１０質量％以下とする。

これらをまとめると次の通りである。すなわち、本発明の所期の効果を実現するには、粒度３０ｍｍ以上に整粒された装入コークス中に、装入鉄源の一部で且つ粒度１０ｍｍ以上に整粒された鉄源を混入させて炉内に装入し、その際にその混入比率を１０質量％以下とする。なお、コークス粒度が３０ｍｍ未満となると、十分な通気性が確保できない場合があるため、粒度３０ｍｍ未満のコークスについては先述の「小中塊コークスの鉱石混合装入」を適用すればよい。また上限は特に制限ないが、通常、コークスの粒度は１００ｍｍ以下であるので、それで十分である。鉄源の混入比率は１０質量％以下に制限する。

次に、実施例によって本発明の前述の作用効果をさらに具体的に説明する。

本例では、実験装置を使い、本発明にかかる鉱石・コークス充填層の高温性状の測定を実施した。このときの実験条件は実際の高炉における羽口からの微粉炭の吹き込み（微粉炭比：２００ｋｇ／ｔ）に相当するものとした。したがって、本例は、本発明にしたがってコークス鉄源とを交互に装入する層状装入を行い高炉の操業を行ったときの鉄源・コークス充填層の高温性状を再現するものであった。

実験に使用した鉄源及びコークスは、実際の高炉で使用しているものであり、鉄源として焼結鉱を用いた。粒度は表１に示すように対実機１／２縮尺条件で与えた。なお、表１および後述の表２において「３〜５ｍｍ（５〜１０ｍｍ）」は「３ｍｍ（５ｍｍ）以上５ｍｍ（１０ｍｍ）未満」を意味し、「５〜１５ｍｍ（１０〜３０ｍｍ）」は「５ｍｍ（１０ｍｍ）以上１５ｍｍ（３０ｍｍ）以下」を意味する。

鉄源・コークス充填層の設定を表２に示す。ベース条件（ｂａｓｅ）ではコークス比３００ｋｇ／ｔに相当する層厚比で鉄源とコークスが分離した層構造を設定した。
ケース１−３はベース条件における充填条件に対しコークス層に粒径５〜１５ｍｍ（実機相当１０〜３０ｍｍ）の鉱石を所定量混入させた充填層を設定した。ケース４−６は、ベース条件と同様に鉄源とコークスが分離した層構造を設定するが、鉄源の層厚を増加してコークス比低下を想定した。ケース７、８はベース条件における充填条件に対しコークス層に粒径３〜５ｍｍ（実機相当６〜１０ｍｍ）の鉱石を所定量混入させた充填層を設定した。

その他の測定条件は、文献（望月ほか３名、「高炉操業解析および焼結鉱品質設計への高温性状試験結果の適用」、鉄と鋼Ｖｏｌ．７２（１９８６）、ｐ．１８５５）にある方法に準拠している。

結果を表２に示しているが、高温性状（ＫＳ値）はベース条件からの差分（ΔＫＳ）で示している。
コークス比を低下させると高温性状（ＫＳ値）は悪化するが、通常の操業で想定されるような単純に鉄源層厚を増やすことで対応した場合（ベース→ケース４〜６）と比較すると、コークス充填層中に鉄源を混入させていく場合（ケース１〜３、ケース８、９）には、同じコークス比で比較した場合には、高温性状の悪化を抑制できることがわかる。

そして、本発明例を適用して、粒径５〜１０ｍｍ（実機相当１０〜３０ｍｍ）の鉄源をコークス充填層中に混入させた場合には、比率１０％までは悪化の度合いは小さく（ケース１、ケース２）、１０％を超えると大幅に悪化する（ケース３）。

一方、比較として粒径３〜５ｍｍ（実機相当５〜１０ｍｍ）の鉄源を用いた場合（ケース７〜ケース８）には、ＫＳの改善効果はほとんど見られない。これは、混入した鉄源がコークス充填層中の空隙に保持されず、偏在したためと考えられる。

このように、本発明に示す如く、コークス層に混合する鉄源の粒径をコークス空隙に保持される大きさとし、かつ混合比率を適正範囲に維持すれば、高炉通気性を損なうことなく、コークス比の低下を実現できることが確認された。また高温性状が改善されるから高結晶水含有鉱石、高脈石成分含有鉱石などのように劣質鉄源の使用量拡大も可能となることが分かる。

Claims (2)

1. コークスと鉄源とを交互に炉頂から装入する高炉の操業方法において、高炉に投入する前記コークスの少なくとも一部として、粒度３０ｍｍ以上のコークスに前記鉄源の一部で且つ粒度１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の鉄源を混入比率１０質量％以下で混入したものを使用することを特徴とする高炉の操業方法。
2. コークスと鉄源とを交互に炉頂から装入する高炉の操業方法において、高炉に投入する前記コークスとして、いずれも粒度３０ｍｍ以上のコークスに前記鉄源の一部で且つ粒度１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の鉄源を混入比率１０質量％以下で混入したものを使用することを特徴とする高炉の操業方法。